بخشی از مقاله
چکیده:
میدان جریان آب در یک تانک همزده با بافل های لوله ای در مقیاس پایلوت بصورت عددی با استفاده از مدل قابهای چندگانه شبیه سازی شد.در این شبیه سازی تاثیر دور همزن بر تغییرات سطح آب بررسی شده است،برای مشاهده این تغییرات از مدل VOF استفاده گردید.نتایج حاصل از شبیه سازیها نشان می دهد که میدان جریان در رآکتور ناهمگن است. حجم راکتور به سه ناحیه اطراف همزن،بافل و گردشی تقسیم ومیزان اتلاف انرژی جنبشی اغتشاش در این نواحی در دورهای مختلف همزن بررسی شد.
اتلاف انرژی جنبشی اغتشاش در رآکتور برای دورهای مختلف همزن 125UPS ، 150USP ، 175USP و 200USP به ترتیب 0,095،0,055 ،0,116 و0,146 مترمربع بر توان سوم ثانیه است. نتایج نشان می دهد که اتلاف انرژی جنبشی اغتشاش با افزایش دور همزن افزایش یافته است. بیشترین فاصله سطح آب به اندازه 0,05 متر مربوط به دور همزن 200USP و کمترین فاصله سطح آب یه اندازه 0,01 متر مربوط به دور همزن 125 Sاست.
مقدمه:
مخازن همزندار بطور گسترده در صنایع شیمیایی،معدنی و بیوتکنولوژی مورد استفاده قرار می گیرد ودر فرآیندهای متفاوتی از جمله تماس مایع-مایع،توزیع گاز،کریستالیزاسیون،راکتورهای پلیمریزاسیون و واکنش های شیمیایی استفاده می شود 1 .یکی از چالش های مهم در مدلهای اغتشاش،محاسبات مربوط به آشفتگی جریان در مخزن همزندار می باشد.مطالعه و بررسی میدان جریان و دستیابی به مشخصه های میدان جریان برای انجام کارهایی نظیر طراحی و ساخت ظروف همزندار،افزایش مقیاس3 و بهینه سازی جهت کیفیت محصول مورد نظر ضروری می باشد.
روش های تجربی برای بدست آوردن پارامترهایی نظیر توان مصرفی همزن،زمان چرخش و غیره به کار می روند که هر کدام عامل مهمی برای طراحی مخازن همزندار می باشد.ولی هیچ یک از این روشها،اطلاعاتی راجع به مکانیزم اختلاط،همگن یا ناهمگن بودن و شکل جریان نمی دهند،درحالی که پارامترهای ذکر شدهدر کیفیت اختلاط حائز اهمیت می باشند.
معادلات حاکم بر جریان مغشوش،یک سری از معادلات دیفرانسیل پاره ای غیر خطی و وابسته می باشند که باید در ناحیه ناهموار با شرایط اولیه و مرزی مختلف حل شوند.حل تحلیلی معادلات مکانیک سیالات محدود بوده و با اعمال شرایط مرزی،این محدودیتها بیشتر می شوند.
روش دینامیک سیالات محاسباتی4 ،روشی است که در سالهای اخیر متداول گردیده است.بنابراین امروزه روش های عددی جدیدی با دقت محاسبات بالا برای حل معادلات حاکم ارائه گردیده اند،به کمک این روشها با تغییر شرایط جریان می توان اهداف مختلفی را برآورد کرد.
گاسمن و همکارانش5 میدان جریان را در یک مخزن اختلاط مجهز به توربین راشتون شبیه سازی نمودند.[3]راندا و جوشی6 نیز با استفاده از روش IBC میدان جریان را در یک مخزن مجهز به توربین راشتون شبیه سازی نمودند.
فوکما و همکارانش7 جریان القا شده به وسیله یک توربین تیغه ای8 در یک ظرف اختلاط را شبیه سازی نمودند.[5]آرمنانت و همکارانش از روش IBC برای شبیه سازی جریان در یک مخزن بدون بافل مجهز به همزن محوری9 استفاده نمودند.
وانگ و مائو10 از روش نمایش لحظه لحظه ای برای شبیه سازی میدان جریان در یک مخزن همزندار دوفازی گاز-مایع استفاده نمودند.آنها مقادیر سرعت متوسط زا در چند نقطه از همزن محاسبه و با داده های تجربی مقایسه کردند و تطابق نسبتا خوبی با داده های تجربی بدست آوردند.
وکیلی و نصر اصفهانی11 از مدل سه قسمتی برای شبیه سازی مخزن همزنداز حاوی بافل استفاده کردند.[1]رآکتورهای پلیمریزاسیون سوسپانسیونی که کاربرد گسترده ای در صنایع دلرند معمولا دارای همزن های با هندسه خاص و بافل های استوانه ای به جای با فل های تیغه ای هستند.در این مقاله نتایج شبیه ساری هیدرودینامیک یک رآکتور مقیاس پایلوت ارایه خواهد شد.
مشخصات مدل:
مدل مورد نظریک رآکتور استوانه ای به قطر 1.3m و ارتفاع 1.8m که تا ارتفاع 1.4m از آب پر شده است .همانطور که در شکل 1 نشان داده شده ، توسط یک همزن سه تیغه ای به شعاع 0.6m و انحنای 0,1 متر که زاویه بین هر دو تیغه 120 درجه بوده است، توسط شافت استوانه ای به ارتفاع 0.45m و شعاع 0.05m که جهت عکس عقربه های ساعت می چرخد، که در کف مخزن قرار داده شده است،همزده می شود.این مخزن مجهز به چهار بفل استوانه ای به قطر 0.09m و ارتفاع 0.7mبوده که با زانویی 90 درجه بطور متقارن در سرتاسر مخزن قرار گرفته است.
ایجاد مدل و شبکه بندی آن:
برای ایجاد مدل وشبکه بندی آن از نرم افزار گمبیت 12 2.4.6 استفاده شده است.از آنجایی که برای انجام این شبیه سازی از روش MRF استفاده شده است،مخزن اختلاط راکه شامل همزن و بفل ها می باشد را به دو ناحیه داخلی و بیرونی تقسیم می گردد،برای ناحیه داخلی که شامل همزن و ناحیه اطراف آن بوده یک قاب مرجع چرخان وبرای ناحیه بیرونی که شامل دیواره و بافلها و جریان اطراف آنها را شامل می شود یک قاب ثابت در نظر گرفته می شود.برای شبکه بندی مدل از مش نامنتظم مثلثی در اطراف همزن با اندازه 0,01 متر و در اطراف بافلها ودیگر مناطق با اندازه 0,035 متر استفاده شده است.تعداد شبکه ها در حدود 800000 می باشد.
مستقل بودن نتایج از اندازه شبکه:
برای تحقق عدم وابستگی نتایج به اندازه شبکه از مش های ریزتر با اندازه 0,005 متر در اطراف همزن واندازه 0,0175 متردر اطراف بافلها و دیگرمناطق استفاده شده است.همانطور که در شکل 2 و 3 نشان داده شده است ،اندازه سرعت در اطراف همزن با اندازه مش 0,005 و 0,01 متر به ترتیب 1,75 و 1,87 متر بر ثانیه می باشد.در نتیجه با کاهش 50درصدی در انداره مش نتایج حاصل از شبیه سازی به اندازه 6درصد با اندازه قبلی مش تغییر داشتند.
شکل:3کانتور سرعت در اطراف همزن با اندازه مش 0,005متر شکل:2کانتور سرعت در اطراف همزن با اندازه مش 0,01 متر
معادلات حاکم:
اغتشاش در حرکت سیال ناشی از شرایط نامنظم جریلن می باشد که تغییرات تصادفی بر حسب زمان و مختصات مکان در مورد اجزا مختلف جریان رخ می دهد که می توان برای آنها مقادیر متوسطی تعیین نمود.نوسانات سرعت ناشی از طبیعت نامنظم جریان مغشوش در بازه ای از فرکانسها است.به علت خاصیت تصادفی اغتشاش،سرعت موضعی سیال می تواند به دو جز سرعت متوسط و سرعت آنی13 نوسانی تقسیم گردد.
